基于RFID的嵌入式系統設計與實現

浙江工業職業技術學院數字媒體與信息工程分院 阮勝利

一、RFID技術概述

RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即自動識別技術的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，對目標加以識別并獲取相關數據。射頻識別的主要核心部件是讀寫器和電子標簽，電子標簽可以接收相距幾厘米到幾米距離內的讀寫器發射的無線電波，而讀寫器可以讀取電子標簽內存儲的信息，識別電子標簽代表的物品、人和器具的身份。

射頻識別技術具有很多突出的優點：RFID可工作于各種惡劣環境，不需要人工干涉，不需要直接接觸，不需要光學可視即可完成信息的輸入和處理，可識別高速運動物體并且可以同時識別多個標簽，操作快捷方便，實現了無源和免接觸操作，應用便利，無機械磨損，壽命長；RFID的總體成本一直處在下降之中，越來越接近接觸式IC卡的成本，甚至更低，這為其廣泛，大規模的應用奠定了基礎。如果RFID技術能與電子供應鏈緊密聯系，那么它很有可能在幾年之內取代條形碼掃描技術。

二、RFID技術基本模型描述

射頻識別的基本模型如圖1所示。其中，電子標簽又稱為射頻標簽、應答器、數據載體；閱讀器又稱為讀出裝置、掃描器、讀頭、通信器、讀寫器（取決于電子標簽是否可以無線改寫數據）。電子標簽與閱讀器之間通過耦合元件實現射頻信號的空間（無接觸）耦合；在耦合通道內，根據時序關系，實現能量的傳遞和數據交換。

三、基于RFID的嵌入式系統設計與實現

（一）系統功能

本系統的最初設想是實現一個基于RFID的嵌入式系統，根據嵌入式的可裁剪，便攜等特點實現一個手持式的，能夠有效防碰撞的使若干近距離物體條件下也可以有效識別的RFID系統。

（二）系統應用方向的定位

由于本系統的集成度較高，防碰撞效果較好，所以可應用范圍很廣，比如圖書館圖書管理和借還書本的應用。

本系統可以方便圖書館管理員隨時攜帶來捕捉書上的智能標簽的信息，快速搜索圖書，將書架上放亂的書管理歸類；圖書借還部分無需圖書管理員介入，讀者自行到自助借還書計算機處完成借還書手續。

還有超市物品管理及價格掃描的應用，養殖場動物的管理應用。總而言之，在當前的硬件條件下，在不同的應用領域只需修改上位機上的相關軟件便能將本系統有效地應用。當然任何一方面的應用都必須另外去開發相關的軟件，本系統只是設計一個應用的總體模型，所以后續的開發還有待進一步的擴充和完善。

（三）系統設計

本系統主要由電源管理單元、單片機AT89C52、射頻卡讀寫模塊（主要由MFRC500構成）、無線模塊、鍵盤顯示電路及其他外圍電路構成。

手持射頻卡讀寫器的工作原理如下：整個手持機由電源管理單元給各個模塊提供工作電壓，由單片機控制射頻卡芯片，并通過天線發射電磁波（區域大小取決于天線的設計質量），當有射頻卡（也可以稱作電子標簽，RFID卡，非接觸卡）進入天線發射的有效范圍時，射頻卡里有一個LC串聯諧振電路，它的工作頻率與射頻卡讀寫器天線發射的頻率相一致，由于電磁波提供的激勵能量，使得射頻卡里的LC諧振電路產生了感應電勢，電壓達到一定電壓值，就作為卡內其它電路工作的電源，然后射頻卡將數據通過內部電路以同樣的頻率發送回去，讀寫器通過天線接收到射頻卡的信號后，進行解調解碼，并根據沖突檢測和校驗，來判斷有效的數據，接著通過單片機的串口發送數據給無線模塊SIM900D，SIM900D可使用短信或者TCP/IP數據流兩種方式來進行數據的無線傳輸，由于短信方式比較適合數據量少，單方向的場合，這里為了使該設計具有更廣的使用，所以采用TCP/IP數據流的方式，與遠程控制數據中心進行數據交互。

（四）硬件電路設計

1.讀寫器的主要控制器

手持讀寫器的主要的CPU采用ATMEL公司的AT89C52。它是一款常用的51單片機。被應用到各種工業控制和消費電子領域中。其成本低，開發平臺簡單。當然在這個系統里理論上完全可以用其他單片機或者ARM控制器來替換。

2.射頻卡讀寫器設計

射頻卡讀寫主要通過射頻卡芯片MF RC500及其必要的外圍電路構成，射頻卡芯片是整個讀寫器的核心，它可以實現讀寫射頻卡（電子標簽）所有必要的功能，包括射頻信號的產生、調制、解調等。此芯片實際上是單片機與射頻卡之間進行數據傳輸的關鍵。任何射頻卡上的數據讀寫都要通過此芯片來傳送。通過傳送不同的命令給此芯片，就能實現不同的控制。此芯片需要在OSCSIN和OSCOUT引腳上外接13.56MHz晶振，當然也可使用其他外部時鐘，但不推薦這樣做，因為它本身的時鐘已經足夠穩定。

為了實現最佳性能，射頻卡芯片的模擬部分使用單獨的電源，它對內部的震蕩器、模擬解調器和解碼器提供工作電壓，同時對驅動部分和數字部分也各使用單獨電源供電，此讀卡器，利用磁珠把各電源進行分開。此芯片支持不同的CPU接口，單片機通過控制射頻卡芯片的NCS引腳來選擇射頻卡芯片，在射頻卡芯片上電或硬件復位后，此芯片馬上復位它的接口模式，并根據幾個固定引腳上的邏輯電平來識別當前CPU接口的類型。我們這里選擇了地址線與數據線分時復用的接口類型，其具體操作是：當ALE為邏輯1時，將地址鎖存到內部的相應鎖存器中，然后由讀寫信號完成對芯片的數據讀寫。

圖1 RFID模型圖

在這個部分，讀寫器的天線設計也相當的重要，它的設計質量將直接影響讀寫射頻卡的有效距離，我們參考芯片的數據手冊，采用直接匹配的天線，其有效距離最遠可以達到10cm。在天線電路的設計里，我們主要考慮兩個方面的問題：

第一個方面是對電磁干擾的濾波，由于這個讀寫器的工作頻率為13.56MHz，由時鐘電路產生，但它也伴隨產生13.56MHz中的3次、5次等高次諧波。為達到國際EMC要求，良好地控制這些電磁干擾。本讀寫器使用低通濾波器來控制電磁干擾。

第二個方面是為了天線的性能達到最好，需要考慮天線電路的阻抗匹配。

3.電源的設計

由于本手持機在使用無線模塊時，需要較大的電流。另外本設備為手持機，所以系統設計采用優科能源的可充電聚合物鋰離子電池組件（2節串聯，每節3.7V的標稱電壓），可充電（需另購充電器，充電電壓為8.4V），電池電壓通過降壓型DCDC芯片AOZ1016A轉換成5V電壓輸出，此芯片的輸入電壓范圍較大（從4.5V～16V），最大可以輸出3.6A的電流，完全滿足本手持機的電壓需要。

4.顯示器的設計

顯示部分采用160×96點陣液晶屏，這個液晶屏是總線型的，它與單片機的連接采用數據并行模式，直接與單片機的PO口相連，而液晶屏的讀寫控制信號R/W則直接連接單片機的讀寫信號上，另外液晶屏的片選信號CS，指令/數據寄存器選擇信號A0，復位信號RESET和串并行選擇端P/S，都需要分別連接到單片機的其他I/O口。

5.鍵盤的設計

鍵盤設計使用單片機P1口的八個I/O口實現，采用4×4矩陣動態掃描模式，可設計提供11個數字鍵（包括小數點）、確認鍵、取消鍵、退格鍵、2個功能鍵，共16個按鍵。滿足一般手持設備的按鍵需求。

6.無線通訊模塊

目前市場上提供的無線通訊模塊有很多，為了適應更多的國家使用，我們使用剛剛推出的四頻的無線模塊SIM900D（它是SIM340DZ的替代品），此模塊自帶TCP/IP協議棧，無需其他CPU的支持就能利用TCP/IP數據流方式進行無線數據傳輸。當然它也使用標準的AT命令，性能穩定，使用方便。本手持機中，單片機通過串口與SIM900D進行通信，由于單片機AT89C52采用5V供電，而SIM900D使用4.3V供電，所以需要在5V電壓的基礎上進行降壓，我們這里采用簡單的二極管進行串接降壓。當然此模塊還需要SIM卡接口電路，由于SIM卡是經常被手碰到的地方，需要給SIM卡加上ESD保護電路。

（五）軟件設計

手持機軟件系統用C51進行直接編寫，當然如果擴展外部儲存器，也可考慮在本系統中采用嵌入式操作系統，并在操作系統的基礎上編寫自己的應用驅動程序，我們這里考慮到本手持機只是作為物流讀寫射頻卡的中間設備，數據處理類型和任務較少，較復雜的應用處理可以由遠程數據控制中心來實現，所以這里采用C51直接編寫全部程序，系統的各個單元部分用單獨的任務線程設計，在減少了軟件設計的復雜度的同時，也增強了軟件系統的穩定性和可讀性。

本系統軟件設計主要包括，系統初始化，鍵盤掃描處理，液晶顯示，射頻卡的讀寫，以及無線模塊的控制與數據通訊等主要部分，由于系統初始化，鍵盤掃描處理，LCD顯示，都是非常常見的應用設計，下面主要說明射頻卡的讀寫部分的設計。

1.射頻卡的讀寫軟件設計

射頻卡的讀寫，最主要是對芯片進行控制。因此讀寫程序也主要是完成單片機對射頻卡芯片MF RC500的控制，從而實現芯片與射頻卡之間的數據交互，工作流程如下：

1）單片機對射頻卡芯片進行初始化，使其進入正常的工作狀態；

2）等待中斷信號（射頻卡芯片通過天線檢測到有效的射頻卡進入有效范圍后，產生中斷信號給單片機）；

3）由單片機發送相應的指令給射頻卡芯片，進行請求，防碰撞，選擇等操作；

4）單片機發送相應的指令對讀寫射頻卡密碼進行驗證；

5）驗證完畢后，讀取射頻卡指定塊的內容或者寫入相應地址塊的數據；

6）完成數據讀寫后，向卡發送停止命令，并可判斷卡有沒有離開。

2.無線模塊的數據傳輸的軟件設計

由于無線模塊SIM900D自帶TCP/IP協議棧，在本手持讀寫器里，單片機通過其串口，利用AT命令就可以對SIM900D進行數據通訊。主要流程如下：

1）先由單片機通過I/O腳控制模塊上電，使SIM900D上電復位；

2）單片機通過串口發送AT命令控制無線模塊SIM900D與遠程服務器建立TCP連接（預先需要知道遠程數據控制中心服務器的IP地址和端口）；

3）連接建立后，單片機把準備好的數據發送給無線模塊SIM900D，通過前面建立好的數據通道進行數據傳輸；并讀取無線模塊SIM900D從遠程數據中心返回的數據；

4）數據處理好后，關閉當前建立的TCP連接，然后再關閉無線模塊SIM900D的電源，以節約耗電，繼續等待下一次的通訊。

四、結論

本手持機主要支持IS014443A協議的射頻卡的讀寫，此射頻卡目前已經被廣泛使用。利用此設計方案，開發的物流手持射頻卡讀寫器，具有攜帶方便，成本低，軟件修改方便，可使用場合多的特點，隨著物聯網的發展，其應用前景一定非常廣闊。

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